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1、6 6 四 川 水 利 2 0 0 6 N o 4 安顺场防洪堤堤坡整体稳定性计算 朱迪生，张光碧(四川大学水电学院，成都，6 1 0 0 6 5)【摘要】由于长期经受水的渗透作用，堤防容易发生塌陷和滑动破坏。本文对安顺场防洪堤工程设计过程中的边 坡稳定计算方法进行了探讨，按稳定渗流、水位骤降的非稳定渗流两种情况分别计算，并考虑地震等多种荷栽组合，对堤 防临、背水堤坡进行 了稳定计算。【关键词】安顺场防洪堤渗流稳定计算 1 工程概况 安顺场防洪堤位于四川省雅安市石棉县安顺 场大渡河畔，总长 1 5 5 2 5 9 m，堤身建筑材料采用 当地砂卵石，2 0 c m厚混凝土面板防渗，堤顶宽 3 5
2、 m，迎水面和背水面坡度均为 l：1 5，平均堤高 4 3 m，最大堤高6 7 m(标准剖面见图 1)。其功能 是：完善防洪体系，确保工程防护区在设计洪水标 准内免遭洪水危害。图 1 安顺 堤标准剖面图 2 水文地质情况 较多，是本流域洪水的主要来源地区，峰高量不 2，1 水文情况 大。安顺场防洪堤位于大渡河中下游段。大渡河 洪水主要由降雨形成，因受高程、地形及地理位置 的影响，上游 大多数地区基本未 出现过暴雨。由 于集水面积大、流域形状狭长、支流多沿干流对称 发育、汇流不集中，加之植被较好 以及地表有利于 滞流等原因，形成的洪水具有量大、峰不高、缓涨 缓落、历时较长等特点。中、下游处于青
3、白江、马 边河及安宁河暴雨 区的波及范 围，暴雨 出现机会 2，2 地质情况 工程区属构造稳定性较差地区，地震基本烈 度为度，对应动峰值加速度为0 2 g，易引起不良 土层液化。堤基土从 上到下可分为三 大层：(1)素填土。呈零星分布，为砂石料开采后人工堆积 的砂和卵砾石，松散状态，厚 3 m 一5 m；(2)砂土 层。为中、细砂，潮湿，成 分 以长石，石英颗粒 为 主，松散状态，厚 0 2 m一1 8 m；(3)卵砾石 夹砂 维普资讯 http:/ 2 O 0 6 N o 4 四 川 水 利 6 7 层。稍湿 饱 和状，卵石成分为花 岗岩、石英岩、变质砂岩、白云岩、玄武岩等，未风化，据抽水试
4、 验，该层 土渗透系数为 3 41 0 c m s。施工时 因(1)、(2)层土不适宜作堤基，已予以清除。3 整体稳定性分析 3 1 渗流计算 在安顺防洪堤的设计过程 中，需对堤防进行 渗流计算。为了简化计算，不考虑面板防渗作用，共计算了以下三种工况。3 1 1 临水侧为设计洪水位，背水侧为相应 水位及临水侧为设计洪水位，背水侧 为无水两种 情况下的渗流计算。3 1 1 1 单宽渗流量计算 计算公式：q=q D+k o (1)浸润线计算：【】)k n r 玎 右(X=K or 宁+(3)其中，g，：L 一 2 。】+k o T 式中，q。为不透水地基上求得的相同型式的 均质土堤单宽渗流量；h
5、o 为特 征水深；k、k。分别 为堤身、堤基渗透系数；m。、m：为临水坡和背水坡 坡率；H。、H：分别为临水坡、背水坡水深；T为堤 基计算深度。3 1 1 2 渗流坡降计算 渗流比降计算采用安徽省水利科学研究所吴 世余高级工程师按苏联法尔科维奇的公式导出的 双重级数公式进行，计算 了背水 面无水和背水面 有水两种工况下的渗流比降 J。(1)背水 面无水的情况 Y 、：A I I 图2 背水面无水情况下的渗流坡降计算图 沿坡面渗出段：1 m()(5)沿地基渗出段：=m亏 Y (6)2 V(2)背水 面有水情况 图3 背水面有水情况下的渗流坡降计算图 沿 坡 面 渗 出 段：=一 ()(7)沿浸没
6、坡渗出段：2 r z 。一)(；一r )其中：口。=沿浸没地基面：(9)2 x 一 (z i 一 )(z +)3 1 2 洪水降落至 1 3 堤高的渗流计算 计算公式：=1-0 3 1(寺)()(1 0)=【J2 _ 2 】r l 1、维普资讯 http:/ 6 8 朱迪生，张兴碧：安顺场防洪堤堤坡整体稳定性计算 2 0 0 6 N o 4 式中，h以临水面堤基为基面；q(t)k山下面 两式联合求解确定：二 f 1 2)k 2 L ml h。(t)】一 k=1+1 n h 】m T【1。”f f、一 J(1 3)式中，q(t)为 t 时刻 由临水坡出渗的流量；h (t)为 t 时刻临水坡出渗点
7、高度。3 2 抗滑稳定计算 由于该防洪堤堤身和堤基均为砂卵石，堤坡 可能产生临、背水堤坡 内近似圆弧的滑动面，以及 从堤坡内延伸到堤基，在坡脚滑出的滑动面。按 照堤防设计规 范，抗 滑稳定共计算 了设计洪水位 情况下的三种典型工况：3 2 1 稳定渗流时背水坡稳定计算 斜墙坝的背水堤坡常形成折线型滑动面(如 图4 所示)，由于安顺防洪堤设有防渗面板，在计 算 中近似于斜墙坝，背水堤坡也常成折线型滑动。在设计洪水稳定渗流情况下，假定背水侧堤坡失 稳滑动面为 a b b c 折线组合，b d为滑动块体的内 部错裂面，它将滑块分成 a b d和 b c d两块，假 设其 自重分别为 w 和 w。d
8、图4 背水坡稳定计算图 在 b d面上，两块体之间存在相互作用力 P。根据滑块 a b c和 b c d各 自的力多边形，可以分别 求解出 P，而两者的 P相等，得到下列等式：竺 二!(I+m3 2 )(m 3+)一(l 2 一 )(m 一I)=*1 I 枭，(，一 )(，一)一 +，(m 1+，l)式中：凡 l=f 2=t a n t p l t a m p 3；凡2=t an t p 2 t an g o 3；n 3=c l I f 3=c l t a n g o 3；凡 4=c 2 =c 2 t a ng o 3 o z，、z 分别为a b和c d 的长度；P，、P 、P，对应材料的内摩
9、擦角；C ，C 2 接触面上的单位凝聚力。由式(1 4)求解维持滑裂面极限平衡时所需的 条件，然后由下式计算安全系数：K=t an t p 3 采用中国水科院的(S T A B)程序进行计算，计 算程序 自动确定 圆心 和半径，计 算 中假定 多个不 同的滑动面，对每一组滑裂面坡率 m 和 m 再假 定不同的 b d 面倾角进行试算，分别求出其安全系 数；经多次计算后求得最小安全系数。3 2 2 设计洪水位骤降至 1 3堤高时，迎水 坡的稳定计算 采用毕肖普法。毕肖普法提出的土坡稳定系 数的含义，是整个滑动面上土 的抗剪强度与实 际 产生剪应力的比，并考虑了各土条侧面间存在着 作用力，对临水堤
10、坡在水位骤降产生非稳定渗流 时的稳定进行分析。经分析计算，由于 k p N=0 O 6 3 0 1(其中 k 为堤身砂卵石渗透系数，V为 水位降落速度，为土体给水度)，此时堤身内渗 流自由面在水位骤降后仍保持有总水头的9 0 左右，可近似认为堤身浸润线基本保持原位置不 变，这种情况对临水堤坡的稳定最为不利，为了偏 于安全，按照水位开始降落前的浸润线位置进行 稳定计算。根据安顺场防洪堤的具体情况和工程 特点，对该均质堆石堤采用 圆弧滑裂 面。假定 圆 弧半径 R，将临水堤坡按一定宽度分割成 1 0个土 条，土条之间考虑相互的水平和垂直作用力。安 全系数按下式计算：，l 了 f c，6+(+一 +
11、一 +-)l (1 5)【J 式 巾：W 各土 条 在 1 3堤 高 以上 的土 体重 量；维普资讯 http:/ 2 0 0 6 N o 4 四 川 水 利 6 9 w，各土条在 1 3堤高以下的土体重量；c 、p 土体的有效强度指标；b、h 各土条的宽度和高度；u 各土条孔隙压力超过 1 3堤高以上的 数值；d 各土条滑弧切线与水平线 的夹角。3 2 3 正常运用期遇地震的临、背水坡 的稳 定计算 仍采用毕肖普法进行计算，滑动圆弧的拟定 和计算过程与水位骤降时临水堤坡的稳定计算基 本一致，不 同之处则是在每个土条重心处 加上了 一水地震惯性力，方向朝向滑 动方 向。由于安顺 场防洪堤场区地
12、震烈度为度，不考虑竖 向地震 惯性力 水平地震惯性力按下式计算：P H i=K x C z a i (1 6)式中：K 水平 向地震荷 载系数，当设计烈 度 为度时，K H=0 2；C 综合影响系数，取 0 2 5；Wi 集中在质点的重量；0【地震加速度分布系数，可由0【i=1 0+0 5 h h。近似计算。其中，h为计算点在堤基 以上的高度，h 0 为堤剖面重心的高度，可近似 取 1 3堤高。求得各土条 的水平地震惯性力后，再求其滑 动力矩，最后将总滑动力矩代入上式，即可求得正 常运用期遇地震的临水、背水坡的稳定安全系数。4 计算结果分析 设计过程中渗流计算，采用水利部水利水电规 划设计总院
13、 1 9 9 0年推广采用的(D Q B)土石堤二向稳 定及非稳定渗流计算程序进行，每2 0 0 m选取典型断 面个。表 l 列出最危险断面计算结果。表 1 渗流计算结果 工况 I 工况 2 工况 3 计算值允许值计算值允许值计算值允许值 计算结果表明，在不考虑面板防渗的情况下，浸润线在堤体砂卵石层中平缓降落，离坡脚 0 1 m 0 3 m高出现渗透逸出点，计算出最危险断面渗 透坡降 J=0 1 21 1 0，满足要求，滑弧始于坡顶，在坡脚处滑 出；设计洪水位骤降3 m时，浸润线随之降落，临水坡 F m=1 1 61 0 5，满足要求，滑弧在坡顶中部开 始，在坡脚滑出；正常运用遇地震情况时，临、背水 坡 F i=1 1 8 1 0 5，满足要求，滑弧在坡顶中部 开始，在坡脚滑出。参 考 文 献(1 水利电力部第五工程局，水利电力部东北勘测设 计院 土坝设计 北京：水利 电力 出版社，1 9 8 3 (2 刘 杰 土石坝渗透破坏的原因及控制措施(J 水利水电技 术，1 9 9 9(3)3 天津大学 水工建筑物(M 北京：水利出版社，1 9 8 1 一 维普资讯 http:/